DC 스퍼 기어 모터: 작동 방식, 사양 및 선택 가이드

DC 스퍼 기어 모터가 실제로 무엇인지

에이 DC 평 기어 모터 스퍼 기어박스와 결합된 DC 모터입니다. 기어 면을 따라 절단된 직선형 평행 톱니가 있는 원통형 기어로 구성된 감속 스테이지입니다. 모터는 상대적으로 낮은 토크로 빠르게 회전합니다. 기어박스는 속도를 늦추고 이에 비례하여 토크를 배가시킵니다. 출력 샤프트에서 나오는 것은 모터 단독으로 생성할 수 있는 것보다 느리고 강한 회전입니다. 이러한 조합이 스퍼기어 DC 모터를 우선적으로 유용하게 만드는 이유입니다.

"스퍼" 부분은 특히 기어 톱니 형상을 나타냅니다. 점차적으로 맞물리는 각진 톱니를 갖는 헬리컬 기어와 달리 스퍼 기어 톱니는 샤프트 축과 평행한 직선을 따라 맞물립니다. 이는 제조가 더 간단하고, 교체가 더 쉽고, 순전히 방사형 부하 조건에서 기계적으로 더 효율적이라는 것을 의미합니다. 그러나 이는 또한 나선형 대안보다 부하 시 소음이 더 크다는 것을 의미합니다. 이는 소음에 민감한 응용 분야를 위해 선택하기 전에 알아두는 것이 좋습니다.

DC 평기어 모터는 브러시형과 브러시리스형으로 제공됩니다. 브러시 버전은 더 저렴하고 운전하기가 더 간단합니다. 브러시리스 버전은 더 긴 서비스 수명, 더 높은 효율성, 까다로운 듀티 사이클에서 더 나은 성능을 제공합니다. 두 구성 모두 동일한 스퍼 기어박스 감소 원리를 사용합니다. 차이점은 전적으로 기어 트레인을 구동하는 모터 섹션에 있습니다.

기어 감소 작동 방식 및 중요한 이유

모든 응용 분야에 적합한 DC 스퍼 기어모터를 선택하려면 기어 감속을 이해하는 것이 기본입니다. 기어비는 종종 30:1 또는 100:1과 같이 표시되며 출력 샤프트가 1회전할 때마다 입력 샤프트(모터 측)가 몇 번 회전하는지를 나타냅니다. 30:1 비율은 출력 1회전마다 모터가 30번 회전한다는 의미입니다.

이 비율의 실제 효과는 동시에 양방향으로 작용합니다. 모터가 0.01N·m 토크에서 10RPM을 생성하는 경우 30:1 기어박스는 약 0.33RPM 출력 속도와 약 0.3N·m의 출력 토크를 제공합니다. 이는 잘 만들어진 스퍼 스테이지에서 일반적으로 85~95% 실행되는 기어박스 효율 손실을 뺀 것입니다. 감소 단계가 많을수록 토크는 더 많이 증가하지만 누적 효율 손실도 더 커집니다.

대부분의 DC 평기어 모터는 높은 전체 비율에 도달하기 위해 여러 기어 감속 단계를 쌓습니다. 3단 기어박스는 5:1, 5:1, 4:1 단을 결합하여 전체 비율이 100:1에 도달할 수 있습니다. 각 단계에는 자체 마찰과 백래시가 발생하므로 비율이 매우 높은(500:1 이상) 기어모터는 적당한 비율의 비슷한 2단계 장치보다 백래시가 높고 효율이 낮은 경향이 있습니다.

평기어 DC 모터를 선택할 때 평가해야 할 주요 사양

데이터시트 수치는 제조업체마다 크게 다르며 일부 사양은 애플리케이션에 따라 다른 사양보다 훨씬 더 중요합니다. 여기서 중점을 둘 사항은 다음과 같습니다.

무부하 속도 및 정격 속도

무부하 속도는 아무것도 부착하지 않은 상태에서 출력 샤프트가 회전하는 속도입니다. 정격속도는 정격 토크 부하가 최대일 때의 출력 RPM입니다. 항상 정격 속도를 중심으로 설계하십시오. 실제 부하가 있으면 출력 RPM이 해당 수치 아래로 줄어들기 때문에 무부하 수치는 실제 애플리케이션 크기 조정에 본질적으로 쓸모가 없습니다. 무부하 정격이 60RPM인 기어모터는 최대 정격 토크에서 45RPM을 전달할 수 있습니다.

정격 토크 및 스톨 토크

정격 토크는 과열이나 조기 마모 없이 모터가 유지할 수 있는 연속 출력 토크입니다. 스톨 토크는 제로 속도(모터가 부하에 의해 정지 상태로 유지되는 지점)에서의 최대 토크입니다. 실속 토크는 인상적으로 들리며 종종 눈에 띄게 나열되지만 실속 근처에서 계속 작동하면 모터가 과열되어 파손됩니다. 지속적으로 작동하는 모든 모터에 대해 최대 작동 토크가 정지 토크의 50~70% 미만으로 유지되도록 애플리케이션 크기를 조정합니다.

기어비

사용 가능한 최고 토크 비율이 아닌 필요한 토크에서 실제로 필요한 출력 속도를 기준으로 기어비를 선택하십시오. 기어비가 높을수록 백래시가 증가하고 효율성이 감소합니다. 두 개의 기어비가 모두 토크 요구 사항을 충족할 수 있는 경우 일반적으로 낮은 기어비가 더 나은 속도 안정성을 제공하고 백래시가 적으며 기어박스 수명이 길어집니다.

공급 전압

DC 스퍼 기어 모터는 일반적으로 3V, 5V, 6V, 12V, 24V 및 48V의 넓은 전압 범위에서 사용할 수 있습니다. 정격 전압은 주어진 기어비에서 모터 속도를 결정합니다. 더 낮은 전압에서 12V 모터를 작동하면 속도와 토크가 비례적으로 감소합니다. 정격 전압 이상으로 작동하면 속도가 증가하지만 권선이 과열되고 브러시 디자인에서 브러시 수명이 단축될 위험이 있습니다.

백래시

백래시는 기어박스의 작은 회전 유격, 즉 기어열이 맞물려 저항하기 전에 출력 샤프트가 이동할 수 있는 각도 거리입니다. 이는 스퍼 기어모터에서는 피할 수 없는 현상이며 기어단 수에 따라 증가합니다. 고품질 다단 스퍼 기어박스의 일반적인 백래시는 1~5도입니다. 3D 프린터 축, CNC 포지셔닝 또는 로봇 조인트와 같은 애플리케이션의 경우 이러한 백래시 수준은 허용되지 않을 수 있으며 대신 대체 기어박스 유형(유성 또는 백래시 제로 하모닉 드라이브)을 고려해야 합니다.

기어박스 재질: 금속 대 플라스틱

플라스틱 기어 트레인은 더 저렴하고 가벼우며 조용하지만 토크 용량이 현저히 낮고 무거운 하중이나 충격 하중에서 더 빨리 마모됩니다. 금속 기어박스(일반적으로 황동, 소결강 또는 경화강)는 더 높은 토크를 처리하고 연속 사용 시 더 오래 지속되며 충격 부하를 훨씬 더 잘 견딥니다. 심각한 하중을 받는 응용 분야의 경우 비용 프리미엄에도 불구하고 금속 기어가 올바른 선택입니다.

스퍼 기어 모터와 기타 DC 기어 모터 유형 비교

스퍼 기어모터가 유일한 옵션은 아닙니다. 기어 유형을 선택하려면 설계를 결정하기 전에 이해할만한 실제 절충안이 필요합니다.

스퍼 기어 DC 모터는 비용이 제한적이고, 출력 샤프트가 모터와 동축이고, 부하 수준이 적당하고, 소음이 주요 관심사가 아닌 경우에 가장 적합합니다. 애플리케이션이 컴팩트한 패키지에 매우 높은 토크 밀도를 필요로 하는 경우, 더 높은 가격에도 불구하고 유성 기어모터가 거의 항상 더 나은 선택입니다. 전원이 꺼졌을 때 위치를 유지해야 하는 게이트, 밸브 액추에이터 또는 리프트 메커니즘의 경우 자동 잠금이 필요한 경우 스퍼 기어 모터는 자동 잠금이 되지 않으므로 웜 기어 DC 모터를 선택하는 것이 좋습니다.

DC 스퍼 기어 모터의 일반적인 응용 분야

스퍼기어 DC 모터는 산업 전반에 걸쳐 광범위한 제품에 등장합니다. 저렴한 비용, 합리적인 효율성, 간단한 구동계 형상의 조합으로 인해 많은 중부하, 중속 응용 분야에서 기본 선택이 됩니다.

• 가전제품 및 가전제품: 프린터, 스캐너, 급지 장치, 전기 캔 오프너, 자동 비누 디스펜서. 토크 요구가 적당하고 듀티 사이클이 가벼운 곳에서는 저가형 플라스틱 스퍼 기어모터가 지배적입니다.
• 로봇 공학 및 교육 플랫폼: 바퀴 달린 로봇, 소형 조작기 및 취미 자동화 프로젝트. 6V~12V 범위의 금속 기어 DC 스퍼 기어 모터는 LEGO Technic 대안, Arduino 구동 섀시 및 경쟁 로봇과 같은 플랫폼의 표준 구성 요소입니다.
• 에이utomotive accessories: 파워 윈도우 리프트, 시트 조정 액추에이터, 선루프 드라이브 및 미러 조정기. 이는 차량 진동 및 극한 온도에 견딜 수 있는 등급의 브러시 DC 모터와 결합된 금속 스퍼 또는 복합 기어 트레인을 사용합니다.
• 산업 자동화: 컨베이어 드라이브, 밸브 액추에이터, 소형 피더 메커니즘 및 포장 장비. 24V 또는 48V 금속 기어 스퍼 DC 기어모터는 이러한 설정에서 서보 시스템보다 저렴한 비용으로 안정적으로 연속적인 경량~중간 부하를 처리합니다.
• 의료 및 실험실 장비: 주사기 펌프, 연동 펌프, 샘플 캐러셀 및 현미경 스테이지 드라이브. 소형 금속 스퍼 기어모터는 이러한 응용 분야에 필요한 제어 가능한 저속 출력과 합리적인 토크의 조합을 제공합니다.
• 장난감 및 취미 장비: RC 차량, 애니마트로닉스, 전동 소품, 카메라 슬라이더. 3~6V의 플라스틱 스퍼 기어모터는 비용 효율적이며 이러한 저부하, 저토크 애플리케이션에 널리 사용 가능합니다.

DC 스퍼 기어 모터를 구동하고 제어하는 방법

에이 brushed DC spur gearmotor is among the simplest motor types to drive. Apply voltage and it spins; reverse polarity and it spins the other direction. Speed is controlled by varying the voltage, most practically using PWM (pulse-width modulation) through an H-bridge driver circuit. The H-bridge allows both forward and reverse rotation as well as braking, and is available in compact integrated IC packages for low-current motors or as discrete driver modules for higher currents.

브러시리스 DC 스퍼 기어모터의 경우 드라이브 요구 사항이 더 복잡합니다. 즉, 브러시리스 모터 애플리케이션에 설명된 대로 정류 논리가 있는 전용 BLDC 컨트롤러가 필요합니다. 기어박스 섹션은 모터 유형에 관계없이 동일합니다. 모든 드라이브 복잡성의 차이는 모터 자체에 있습니다.

출력 샤프트의 샤프트 인코더 또는 홀 효과 센서를 사용하여 모든 DC 스퍼 기어모터에 속도 피드백 및 폐쇄 루프 제어를 추가할 수 있습니다. 이는 부하가 다양하고 일관된 출력 속도가 필요할 때 특히 유용합니다. 개방 루프 PWM 듀티 사이클 제어를 사용하면 보상을 위해 PID 컨트롤러를 사용하지 않는 한 부하가 증가할 때 속도가 저하될 수 있습니다. 속도 일관성이 중요한 컨베이어 드라이브, 카메라 슬라이더, 유체 펌프와 같은 애플리케이션의 경우 엔코더와 간단한 PID 루프를 추가하는 것은 추가적인 복잡성을 감수할 가치가 있습니다.

소형 브러시 DC 스퍼 기어모터와 함께 사용되는 일반적인 드라이버 IC는 다음과 같습니다.

• L298N: 듀얼 H-브리지, 채널당 최대 2A, 최대 46V 널리 사용 가능하고 사용하기 쉽지만 높은 드롭아웃 전압으로 인해 더 높은 전류에서 상당한 열이 발생합니다.
• DRV8833: 듀얼 H-브리지, 채널당 최대 1.5A, 낮은 온 저항, 소형 모터의 경우 L298N보다 효율적입니다. 로봇 공학 및 취미 생활 응용 분야에서 일반적입니다.
• TB6612FNG: 듀얼 H-브리지, 채널당 최대 1.2A 연속, 소형 패키지, Pololu 모터 드라이버를 포함한 많은 로봇 플랫폼에 사용됩니다.
• BTS7960(IBT-2): 최대 43A 피크의 고전류 H 브리지 모듈로 산업 또는 자동차 애플리케이션의 대형 12V 또는 24V 스퍼 기어모터에 적합합니다.

일반적인 실패 모드 및 이를 방지하는 방법

DC 스퍼 기어 모터는 예측 가능한 방식으로 고장납니다. 고장 모드를 이해하면 올바른 적용과 기본적인 유지 관리 관행을 통해 서비스 수명을 크게 연장할 수 있습니다.

기어 톱니 마모 및 벗겨짐

특히 플라스틱 기어 모터에서 가장 흔한 기계적 고장입니다. 기어모터를 실속 토크 이상으로 반복적으로 작동하거나 정격 피크 토크를 초과하는 충격 부하 또는 단순히 고주기 응용 분야에서 누적된 마모로 인해 발생합니다. 해결 방법은 평균 수요보다 훨씬 높은 토크 등급을 갖는 모터를 선택하고 충격 부하 또는 높은 듀티 사이클과 관련된 모든 애플리케이션에 금속 기어를 사용하는 것입니다.

브러시 마모(브러시 모터)

브러시형 DC 모터의 브러시 수명은 유한하며 전류, 속도 및 브러시 재질에 따라 일반적으로 500~3,000시간입니다. 높은 실속 전류로 인해 브러시 마모가 극적으로 가속화됩니다. 장기간 사용하는 애플리케이션의 경우 브러시리스 변형을 지정하거나 브러시 교체 간격을 계획하십시오. 장기간 정지 상태에서 브러시 모터를 작동시키는 것은 정류자와 브러시를 동시에 파괴하는 가장 빠른 방법입니다.

베어링 고장

출력 샤프트의 과도한 레이디얼(측면) 하중은 스퍼 ​​기어모터 베어링 고장의 주요 원인입니다. 출력 샤프트는 부하에 대한 축 방향 연결을 위해 설계되었습니다. 적절한 샤프트 지지 없이 벨트, 체인 또는 기어를 출력 샤프트에서 직접 구동하면 설계되지 않은 기어박스 출력 베어링에 방사형 하중이 가해집니다. 적절하게 정렬된 샤프트 지지 커플링을 사용하고 방사형 하중을 제조업체가 지정한 한도 내로 유지하십시오.

윤활 분석

스퍼 기어박스는 공장에서 윤활 처리되어 있으며 일반적으로 밀봉되어 있습니다. 고온 환경이나 매우 긴 사용 수명 후에는 그리스의 품질이 저하되고 점도가 떨어지며 기어 및 베어링 마모율이 눈에 띄게 증가합니다. 밀봉된 장치의 경우 현장에서 서비스할 수 없습니다. 개방형 프레임 또는 접근 가능한 기어박스의 경우 올바른 리튬 또는 합성 기어 그리스를 정기적으로 재급유하면 수명이 크게 연장됩니다.